CN102369466A - 提供隔离装配的led准直光学器件模块 - Google Patents

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CN102369466A CN2010800146906A CN201080014690A CN102369466A CN 102369466 A CN102369466 A CN 102369466A CN 2010800146906 A CN2010800146906 A CN 2010800146906A CN 201080014690 A CN201080014690 A CN 201080014690A CN 102369466 A CN102369466 A CN 102369466A
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Abstract

公开一种提供隔离装配的LED准直光学器件模块(16)和使用该模块的发光器(10)。在LED准直光学器件模块(16)的一个实施例中，LED芯片(30)提供多个光源(G，R，B，W)。光学导体(32)叠加于LED芯片(30)上以混合从多个光源(G，R，B，W)接收的光。套管连接到LED芯片(30)并且定位于光学导体(32)周围，从而环状物(102)位于其间。在穿过光学导体(32)之后，混合光进入耦合到光学导体(32)的复合抛物线聚集器(34)。复合抛物面聚集器(34)准直从光学导体(32)接收的光，从而发射同质的光瞳。

Description

提供隔离装配的LED准直光学器件模块
技术领域
本发明主要地涉及产生人造光或者照明，并且具体地涉及用于发光二极管(LED)准直光学器件模块的隔离装配和使用这些模块的发光器，这些模块可以被个别运用或者在阵列中布置于共同基底上。
背景技术
当前的LED芯片封装可以每封装包含多个LED芯片并且具有在封装本身上的相对简单的光学器件，这些光学器件需要辅助光学器件系统以提供任何所需混色、准直或者其它光束成形。这些现有LED芯片封装必须平衡功率和包括准直和混色的光束成形要求。举例而言，在舞台照明应用(比如与戏剧、舞会、歌剧和其它表演艺术有关的应用)中，所需的强度和与待照亮的区域的距离以及发光器的光束或者场角度指定LED芯片封装具有极大的功率。另外由于应用的性质而也需要良好成形的光束。通过使用大量LED来满足亮度要求，这继而使得将光收集到单个均匀和同质光瞳中更为困难。经常必须为了统一性而牺牲功率或者相反。继续需要如下解决方案，这些解决方案解决在一方面为功率与另一方面为准直和混色之间的折衷。
发明内容
公开了一种提供隔离装配的LED准直光学器件模块和使用该模块的发光器。这里呈现的解决方案减轻在一方面为功率与另一方面为准直和混色之间的传统折衷。在LED准直光学器件模块的一个实施例中，LED芯片提供多个光源。光学导体叠加于LED芯片上以混合从多个光源接收的光。套管装配到LED芯片并且定位于光学导体周围，从而环状物位于其间。套管向光学导体提供LED的热学散热、EMI掩蔽、光屏蔽、灰尘/污物屏蔽和一般物理保护。在穿过光学导体之后，混合光进入耦合到光学导体的复合抛物面聚集器(CPC)。CPC准直从光学导体接收的光，从而发射同质的光瞳。
附图说明
为了更完整理解本发明的特征和优点，现在参照对本发明的具体描述以及附图，在这些附图中，在不同的图中的对应标号指代对应部分，并且在这些附图中：
图1A是发光器的一个实施例的透视图，该发光器并入根据这里呈现的教导的LED准直光学器件模块；
图1B是图1A中描绘的发光器的透视图，该发光器被部分切除以更好地揭示内部部件；
图1C是更具体地示出了图1A和1B的LED准直光学器件模块的阵列的透视图；
图2A是LED准直光学器件模块的一个实施例的正视图；
图2B是图2A中所示LED准直光学器件模块的横向截面图；
图2C是图2A中所示LED准直光学器件模块的俯视平面图；
图2D是LED芯片封装的俯视平面图；
图2E是光学导体和套管的一个实施例的俯视横截面图；
图2F是光学导体和套管的一个替代实施例的俯视横截面图；
图2G是光学导体和套管的又一实施例的俯视横截面图；
图3A是横穿图2A中所示LED准直光学器件模块的单个光束的横向截面图；以及
图3B是横穿图2A中所示LED准直光学器件模块的多个光束的横向截面图。
具体实施方式
尽管下文详细地讨论本发明各种实施例的实现和使用，但是应当理解本发明提供可以在广泛多种具体背景中实施的诸多适用发明概念。这里讨论的具体实施例仅举例说明用于实现和使用本发明的具体方式而不界定本发明的范围。
起初参照图1A至1C，描绘了示意地图示并且总体上标示为10的根据这里呈现的教导的发光器的一个实施例。壳12适于容纳基底14以及共同编号为16并且固着于壳12内的LED准直光学器件模块。LED准直光学器件模块包括个别LED准直光学器件模块16-1、16-2、16-3、16-4、16-5、16-6和16-7。同样装配到基底14并且装入壳12中的散热器子组件18吸收和耗散发光二极管准直光学器件模块16产生的热。在一个实施例中，在散热器的数目与发光二极管准直光学器件模块16的数目之间存在一一对应。另外，在一个实施例中，散热器子组件18包括实质上静音的如下风扇，该风扇为包括发光二极管准直光学器件模块16的内部部件提供强制通风冷却。
壳12通过轭状物20来装配就位，该轭状物转动地连接到支撑结构22。位置遍及壳12、轭状物20和支撑结构22的电子器件子组件24向发光器10提供机动移动和电子器件。电子器件子组件24可以包括多个板上处理器，这些处理器提供诊断和自准直功能以及内部测试例程和软件更新能力。发光器10也可以包括任何其它所需电子器件，比如与电力的连接。如图所示，包括抛光透镜26用于添加末端效果。
LED准直光学器件模块16设置于单层紧密包装布置28中使以六边形定位的LED准直光学器件模块16-1至16-6与居中定位的光学器件模块16-7接触。外围LED准直光学器件模块16-1至16-6中的每一个触碰两个相邻外围LED准直光学器件模块和内部设置的LED准直光学器件模块16-7。举例而言，LED准直光学器件模块16-1触碰相邻LED准直光学器件模块16-2和16-6以及位于内部的准直光学器件模块16-7。LED准直光学器件模块16-1至16-7的阵列在一个实施例中可以具有8英寸(8.32cm)的直径。参照LED准直光学器件模块16-4，LED芯片封装30向光学导体32提供光，该光学导体混合光。光学导体32例如可以是管、混光管、光管、杆或者其组合。CPC 34耦合到光学导体32以准直从光学导体32接收的光。在准直之后，光作为基本上同质光瞳离开发光器10。发光器10的整体或部件都可以视为用于舞台照明和有关应用的光学器件模块。
图2A至图2E描绘了LED准直光学器件模块16-4。LED芯片封装30提供光源并且包括以阵列42布置于单个伸长基底构件44上的多个有色LED芯片G、R、B、W，该基底构件可以包括用于键合引线(未示出)的设置。如图所示，LED芯片G、R、B、W已经被定位成参照光学导体32和CPC 34提供所需角度发射图案以增加混色。然而应当理解，根据应用可以在其它类型的阵列中布置LED芯片G、R、B、W。
阵列42的LED芯片G、R、B、W包括分别发射绿、红、蓝和白光的绿、红、蓝和白色LED芯片。这样的LED芯片有助于向光学导体32中的高效注入并且大大增强混色。如图所示，为了进一步增强LED芯片封装生成的白光的质量，利用包括一个红色LED芯片(R)、一个绿色芯片(G)、一个蓝色LED芯片(B)和一个白色LED芯片(W)的四个LED芯片。然而设想，随着LED芯片设计发展，不同数目的LED芯片和/或不同颜色的LED芯片可以在阵列中用来优化LED芯片封装30生成的光的质量。举例而言，在一个实施例中，利用包括一个红色LED芯片(R)、一个绿色芯片(G)、一个蓝色LED芯片(B)和一个琥珀色LED芯片(A)的四个LED芯片。又例如在另一实施例中利用包括一个红色LED芯片(R)、两个绿色芯片(G1，G2)和一个蓝色LED芯片(B)的四个LED芯片。还设想可以在LED芯片封装30中使用低功率和高功率LED芯片两者。
在这里呈现的教导的一个实施例中，伸长基底构件44可以包括包围金属散热器(硅子底座设置于其上)的例如由塑料或者陶瓷制成的电绝缘壳46。金属散热器向设置于其上的LED芯片封装30提供散热。更多散热由散热器子组件18提供，该子组件如暗示的那样包括实质上静音的如下风扇，该风扇提供与金属散热器邻近的强制通风冷却。伸长基底构件44还可以包括通过壳来与金属散热器和LED芯片G、R、B、W电隔离的引线。键合接线将LED芯片G、R、B、W电连接到引线。
光学导体32在第一端具有横截面积πr1 2的输入孔48，其中半径为r1，而在第二端具有第二横截面积πr2 2的输出孔50，其中半径为r2。光学导体32叠加于LED芯片封装30和LED芯片G、R、B、W上以在输入孔48从光源接收光并且向输出孔50递送光。第一横截面积πr1 2可以基本上等于第二横截面积πr2 2，从而输入孔48和输出孔50具有基本上相等直径并且r1可以等于r2。可以是柱形壁部的壁部52将输入孔48与输出孔50连接并且可以包括大体上形成柱形的旋转表面。壁部52包括反射材料54，该反射材料限定多个传输路径从而实现在从输入孔48到输出孔50的内部空间56内的光混合。在一种实施方式中，壁部52可以是将输入孔48与输出孔50连接的用于混合光的壁装置。光学导体32的长度l1取决于与光源发射的光的混合有关的设计参数。此外，沿着光学导体32的纵轴测量光学导体32的长度l1，该纵轴与LED芯片封装30的水平轴基本上正交。
CPC 34耦合到光学导体32。参照CPC 34，在一个实施例中为圆锥主体的主体60在第一端形成有横截面积为πr3 2的入口孔62，其中半径为r3，而在第二端形成有横截面积为πr3 2的出口孔64，其中半径为r3)。入口孔62与输出孔50相交，并且圆锥主体60被设置成向出口孔64递送光。入口孔62的横截面积πr3 2基本上等于输出孔50的横截面积πr2 2，并且出口孔64的横截面积πr4 2大于入口孔62的横截面积πr3 2。因而在这一实施方式中，r4>r3＝r2＝r1。在第二端的唇部72可以具有包括所示弓形边缘(该弓形边缘包括邻接弓形序列)的多种形式。这一类型的唇部实施例允许LED准直光学器件模块在紧密包装布置中放置成彼此齐平接触。
可以是弯曲壁部的壁部66将入口孔62与出口孔64连接并且从横截面积πr3 2发散成横截面积πr4 2。壁部66包括反射材料68，该反射材料实现光从入口孔62向出口孔64的准直传输。壁部66可以是将入口孔62与出口孔64连接并且从横截面积πr3 2发散成横截面积πr4 2的壁装置。壁部66可以包括抛物面壁部，该壁部包括大体上形成圆锥形状的旋转表面。CPC 34的长度l2例如取决于与所需准直和混光程度有关的设计参数。此外，沿着CPC 34的纵轴测量CPC 34的长度l2，该纵轴与光学导体32的纵轴基本上对准并且与LED芯片封装30的水平轴正交。应当理解，根据应用，长度l1与l2之间的关系可以不同于描绘的关系。
在一个实施例中，CPC 34的特征在于以下事实：在设备的较小孔(入口孔62)进入设备的射线在较大孔(出口孔64)离开CPC34之前从内表面向弯曲壁部66反射仅一次。在这一实施方式中，CPC 34被设计成准直在输入孔48接收的能量的给定光通量。
在这一实施例中，这里公开的聚集器(无论聚集器是具有抛物面还是其它几何形状都称为CPC)具有由分光的透明的低传输损耗电介质材料制成的反射材料68。另外，其它几何形状属于这里呈现的实施例的范围内。可以用来制成CPC 34的内表面70的反射材料68的电介质材料包括折射率高的透明聚合物，比如但不限于丙烯酸聚合物或者基于聚碳酸酯的聚合物。
套管100连接到LED芯片封装或者简称为LED芯片30并且定位于光学导体32周围，从而环状物102位于其间。另外，在一个实施例中，光学导体32的纵轴与套管100的纵轴对准。可以是O环密封件的密封件104例如在环状物102的上端位于套管100与光学导体32之间。轴环106位于环状物102的下端并且设置于光学导体32周围以在此形成密封。然而应当理解可以使用替代密封技术以取代或者补充密封件104和轴环106。
支撑结构108耦合到基底14以便夹装(seat)和支撑光学导体32和套管100。具体而言，肩环110夹装套管100。密封垫圈112将支撑结构108密封到基底14，并且紧固器114、116将支撑结构108耦合到基底14。如下文将更具体讨论的那样，热传导路径存在于LED芯片30与套管100之间以提供散热。
图2G和图2F描绘了用于与这里呈现的LED准直光学器件模块16一起使用的光学导体32和套管100的实施例。光学导体32并不限于管、杆或者柱形形状。实际上，光学导体32可以采用各种形状(包括具有侧面或者分面的形状)。除了具有各种形状之外，光学导体32例如可以是具有侧壁的管或者混合管(例如图2E)、杆(例如图2F)、其中具有主体32b的管32a(例如图2G)或者其组合。
另外应当理解，类似于光学导体32，CPC 34的主体60可以在侧面或者分面的数目上变化。主体60也可以具有各种形式(例如包括如下主体60，该主体具有侧壁、为实心构件、具有侧壁构件(实心构件设置于该侧壁构件中)或者其组合)。
图3A描绘了横穿LED准直光学器件模块16-4的单个光束。可以是混光杆或者光管的光学导体32均质化光源在其中传输的光线束(light bundle)。光线束的强度质心以纵向方式从输入孔48移向输出孔50。沿着混光杆设置的反射材料54的反射表面包括相对于光移动经过的纵向或者轴向方向垂直或者倾斜的表面法线。反射材料提供用于光束行进并且由此彼此混合的路线、比如路线80、82。LED芯片(G、R、B、W)至少具有朝向光学导体32的内部空间56的部分定向方向。
按照θi/θo描绘CPC 34，其中θi表示输入角度而θo表示输出角度。通过取得抛物线PR的一段(具有它的焦点Q)并且绕着与抛物线的轴z(该轴垂直于经过LED芯片封装30的水平轴x)成角度θi的旋转轴旋转这一段可以更好地理解一个实施例的几何形状。绕着轴z的旋转轴限定入口孔和出口孔的中心。这样的CPC构造的特征在于参照轴z以小于+/-θi的角度在输入孔48进入的所有射线将在参照轴z的+/-θo的角度内不多于单次反射之后离开CPC。
如图所示，从LED芯片封装40的LED芯片R传输光束84、86。光束84的入射角使得光束84未接触光学导体32的内部空间56。在其它实施例中，由于光学导体32的位置，所有或者几乎所有光束接触内部空间56。然而光束86接触内部空间56并且随后在进入CPC34(其中通过从CPC 34的内部表面70的单次反射来准直光束86)之前从光学导体32的反射材料54反射六次。如图所示，在光学导体32中的多次反射使光束86穿越光学导体32的纵轴z，由此有助于混光。
图3B描绘了穿过LED准直光学器件模块的多个光束。光学导体32叠加于LED芯片30上以在输入孔48从LED G、R、B、W的光源接收光。LED G-1、R、B、W至少部分朝着光学导体32的内部空间56定向。如图所示，有在LED G、R、B、W之间的横向偏移用于提供在LED与反射材料54之间的入射角度以提供从其反射。光学导体32提供多个光束(共同为光线束88)穿越的多个路线89。多个路线89混合接收的光束并且使光线束88的强度质心以纵向方式从输入孔48移向输出孔50。光学导体的反射材料被定向成从输入孔48向输出孔50(其中混合光在入口孔62由CPC 34接收)传播。然后发生光从入口孔62向出口孔64的准直传输以由在CPC 34内的单次反射准直传输来产生基本上同质的光瞳。光线束离开作为基本上同质的光瞳90的出孔64。
在一个实施例中，套管100可以是提供以下各项中的一项或者多项的隔离装配：热学散热、电磁干扰(EMI)屏蔽、光屏蔽、防尘/污和物理保护。就热学散热而言，有在LED芯片封装30、支撑结构108和套管100之间的热传导路径。热传导路径允许套管100通过热能传送来吸收和耗散来自LED芯片封装30的热。套管100(可以包括适合EMI屏蔽的材料)和环状物102限制电磁场穿透套管100。在LED准直光学器件模块16-4的光学导体32产生的任何场例如不会影响LED准直光学器件模块16-5的操作并且反之亦然，由此隔离从每个LED准直光学器件模块16发散的电磁场。
在环状物102的各端与光学导体32密封对接的套管100提供可以干净并且无尘无污的环状物102。此外，套管100向光学导体32提供物理屏蔽和保护。在每个环状物32内也包含光，从而套管100提供光屏蔽。作为隔离装配的套管100保护光学导体32的操作并且另外减轻可能在不同LED准直光学器件模块的光学导体之间出现的各种类型的干扰。
尽管已经参照示例实施例描述了本本发明，但是本说明书并非在限制意义上加以理解。本领域技术人员参照说明书将清楚所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。因此旨在于所附权利要求涵盖任何这样的修改或者实施例。

Claims (15)

1.一种发光二极管准直光学器件模块(16)，包括：
发光二极管芯片(30)，提供多个光源(G，R，B，W)；
光学导体(32)，具有第一横截面积(πr1 2)的输入孔(48)和第二横截面积(πr2 2)的输出孔(50)，所述光学导体叠加于所述发光二极管芯片(30)上以在所述输入孔(48)从所述多个光源(G，R，B，W)接收光并且向所述输出孔(50)递送光，所述第一横截面积(πr1 2)基本上等于所述第二横截面积(πr2 2)；
第一壁部(52)，将所述输入孔(48)与所述输出孔(50)连接，所述第一壁部(52)为第一反射材料(54)，所述第一壁部(52)限定多个传输路径从而实现从所述输入孔(48)到所述输出孔(50)的混光；
套管(100)，连接到所述发光二极管芯片(30)并且定位于所述光学导体(32)周围，从而环状物(102)位于其间；
主体(60)，在第一端形成有第三横截面积(πr3 2)的入口孔(62)，而在第二端形成有第四横截面积(πr4 2)的出口孔(64)，所述入口孔(62)与所述输出孔(50)相交，并且所述主体被设置成向所述出口孔(64)递送光，所述第三横截面积(πr3 2)基本上等于所述第二横截面积(πr2 2)，所述第四横截面积(πr4 2)大于所述第三横截面积(πr3 2)；以及
第二壁部(66)，将所述入口孔(62)与所述出口孔(64)连接并且从所述第三横截面积(πr3 2)发散成所述第四横截面积(πr4 2)，所述第二壁部(66)为第二反射材料(54)，所述第二壁部(66)实现光从所述入口孔(62)向所述出口孔(50)的准直传输。
2.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，还包括在所述环状物(102)的上端位于所述套管(100)与光学导体(32)之间的密封件(104)。
3.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述套管(100)还包括位于所述环状物(102)的下端的轴环(106)，所述轴环(106)位于所述光学导体(32)周围以在此形成密封。
4.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，还包括用于夹装所述光学导体(32)和所述套管(100)的支撑结构(108)。
5.如权利要求4所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述支撑结构(108)还包括用于夹装所述套管(100)的肩环(110)。
6.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，还包括所述发光二极管芯片(30)和所述光学导体(32)装配到其上的基底(14)。
7.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，还包括在所述发光二极管芯片(30)与所述套管(100)之间的热传导路径。
8.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述套管(100)提供电磁干扰掩蔽。
9.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述套管(100)提供防光和防尘。
10.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述套管(100)向所述光学导体(32)提供物理保护。
11.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述光学导体(32)的纵轴(Z)与所述发光二极管芯片(30)的水平轴(X)基本上正交。
12.如权利要求1所述的发光二极管准直光学器件模块(16)，其中所述光学导体(32)的纵轴(Z)与所述套管(100)的纵轴(Z)对准。
13.一种发光器(10)，包括：
基底(14)；
多个发光二极管准直光学器件模块(16-1至16-7)，分别设置于所述基底(14)上，所述多个发光二极管准直光学器件模块(16-1至16-7)中的每个模块包括：
发光二极管芯片(30)，提供多个光源(G，R，B，W)；
光学导体(32)，叠加于所述发光二极管芯片(30)上，所述光学导体(32)用于混合从所述多个光源(G，R，B，W)接收的光；
套管(100)，耦合到所述发光二极管芯片(30)并且定位于所述光学导体(32)周围，从而环状物(102)形成于其间；以及
复合抛物面聚集器(34)，耦合到所述光学导体(32)，所述复合抛物面聚集器(34)用于准直从所述光学导体(32)接收的光；以及
壳(12)，适于容纳所述基底(14)和所述多个发光二极管光学器件模块(16-1至16-7)。
14.如权利要求13所述的发光器(10)，还包括在所述发光二极管芯片(30)与所述套管(100)之间的热传导路径。
15.如权利要求13所述的发光器(10)，其中所述套管(100)提供电磁干扰掩蔽。
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